Remote sensing-based water resource diagnosis in regions with intensive expansion of irrigation in Brazil

Abstract

Center pivot irrigation has been leading irrigation growth in Brazil in recent years. However, the intensification of climate change effects may lead to issues in regions highly occupied by center pivots. The reduction in precipitation volume or the duration of the dry season often generates conflicts over water usage between irrigators and other water users. Therefore, formulating a diagnosis of the hydrological situation in these regions is crucial. This study selected three Brazilian regions with intensive irrigation expansion: the Corrente and Grande rivers' basins in Bahia and the Alto Rio das Mortes in Mato Grosso. Although these are considered areas with a high technological level in the field, there is no systematic measurement network for water usage yet. Remote sensing products enable the estimation of center pivot water demand through evapotranspiration (ET). For the Corrente and Grande River basins, the MODIS ET product (MOD16A2 Version 6 Evapotranspiration/Latent Heat Flux product) was applied to identify sub-basins with a higher risk of water conflicts. After comparing the estimated irrigation water demand with river flow data, three sub-basins demonstrated a potentially critical situation regarding water resource usage. An in-depth analysis of these sub- basins also revealed that water use by center pivots has steadily increased over the years, pushing water consumption to its limits. In addition to the MODIS product, another database was applied to estimate the irrigation by center pivots, the daily evapotranspiration dataset provided by the GLODET (Global Daily evapotranspiration) platform for the Alto Rio das Mortes. Moreover, ET data measured via eddy covariance were used to assess the accuracy of the two products. The results showed that the new ET dataset exhibited improvements compared to the previous version used, which underestimates evapotranspiration in the region. Additionally, the results represent a first step in understanding irrigation in Mato Grosso, showing immense potential for application in future studies. Keywords: Center pivots; Remote sensing in agriculture; Water security.A irrigação por pivô central tem liderado o crescimento da irrigação no Brasil nos últimos anos. Contudo, a intensificação dos efeitos das mudanças climáticas pode levar a problemas em regiões altamente ocupadas por pivôs centrais. A redução do volume de precipitação ou da duração da estação seca gera frequentemente conflitos sobre o uso da água entre irrigantes e outros usuários. Portanto, é fundamental formular um diagnóstico da situação hidrológica nessas regiões. Este estudo selecionou três regiões brasileiras com intensa expansão da irrigação: as bacias dos Rios Corrente e Grande na Bahia, e o Alto Rio das Mortes no Mato Grosso. Embora sejam consideradas áreas com alto nível de tecnologia, não existe ainda uma rede sistemática de medição do uso da água. Os produtos de sensoriamento remoto permitem a estimativa da demanda de água do pivô central por meio da evapotranspiração (ET). Para as bacias dos rios Corrente e Grande, foi usado o produto de ET MODIS (produto MOD16A2 Versão 6 Evapotranspiration / Latent Heat Flux) para identificar sub-bacias com maior risco de conflitos hídricos. Depois de comparar a demanda estimada de água para irrigação com os dados da vazão do rio, três sub-bacias demonstraram uma situação potencialmente crítica relativamente à utilização dos recursos hídricos. Uma análise aprofundada destas sub-bacias também revelou que o uso de água pelos pivôs centrais tem aumentado constantemente ao longo dos anos, levando o consumo de água ao seu limite. Além do produto MODIS, outro banco de dados foi aplicado para estimar a irrigação por pivôs centrais, o conjunto de dados de evapotranspiração diária fornecido pela plataforma GLODET para o Alto Rio das Mortes. Além disso, dados de ET medidos via covariância de vórtices turbulentos foram utilizados para avaliar a precisão dos dois produtos. Os resultados mostraram que o novo conjunto de dados de ET apresentou melhorias em comparação com a versão anterior utilizada, que subestima a ET na região. Além disso, os resultados representam um primeiro passo no entendimento da irrigação em Mato Grosso, mostrando grande potencial para aplicação em estudos futuros. Palavras-chave: Pivôs centrais; Sensoriamento remoto na agricultura; Segurança hídrica.